含水层系统识别
江汉平原第四纪含水层系统特征
江汉平原第四纪含水层系统特征张陵;胡祥胜;关义涛;向进洋【摘要】第四纪冲积、冲洪积与冰水沉积的砂层和砂砾石层中贮藏了大量的地下水资源,是开采利用条件较好的地下水开采层位.江汉平原第四纪地下水资源丰富,含水层、含水层结构和含水层系统受沉积环境、古地理、古气候等因素影响分布发育特征各异但又统一,含水层多层、含水层结构多变、水文地质特征相对一致是江汉平原第四纪含水层系统的特点,江汉平原第四纪含水层系统是多层的,又是连续、统一、非均质的大的综合三维地下水含水层系统.【期刊名称】《资源环境与工程》【年(卷),期】2016(030)006【总页数】4页(P895-898)【关键词】第四纪地层;含水层;含水层结构;含水层系统【作者】张陵;胡祥胜;关义涛;向进洋【作者单位】湖北省地质局水文地质工程地质大队,湖北荆州434020;湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北武汉430051;湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北武汉430051;湖北省水文地质工程地质勘察院,湖北武汉430051【正文语种】中文【中图分类】P641.7江汉平原第四纪地层埋藏发育了多个含水层(组)和含水层系统,在分布范围上以孔隙水含水层分布最为广泛,厚度最大,储存了大量的地下水资源,是江汉平原的主要地下水开采层。
受沉积环境、古地理、古气候等因素影响,江汉平原的含水层系统具有多层性和统一性,各含水层在垂向上的分布和含水层结构特征存在着差异,致使其水力性质、水化学条件、富水性及地下水动态等水文地质条件特征各异。
对于区域水文地质条件的分析研究,从含水层的沉积环境入手,进行含水层结构格架、特征的分析研究和含水层系统划分是建立地质结构模型和第四纪三维含水层模型的重要手段,也是正确划分地下水系统和地下水资源分析计算评价的重要步骤。
第四纪以来江汉盆地在晚第三纪构造基础上继承性发展,继续呈差异性掀斜式下降,周边山地与江汉盆地间歇性的升降运动仍在持续进行,新构造运动控制了区域内第四纪沉积(厚度)与河湖演变。
栾城资料
石家庄市栾城县水质评价资料2002年1 研究区基本概况1.1 地理位置研究区位于石家庄市东南栾城县，属市辖郊区县，地理位置西起东经114°28′，东至东经114°47′，北起北纬38°1′，南至北纬37°47′。
北与正定县毗连，南与赵县相邻，东接藁城市，西与鹿泉市、元氏县接壤。
总面积345 km2（图1-1-1）。
区内交通发达，京广铁路途经县西部，在窦妪镇设有火车站;京深高速公路从县中部穿过，在冶河镇设有出入口；107，308国道贯穿南北。
县城距首都北京254km，距省会23km，距石家庄国际机场40km.。
1.2 地形地貌研究区全部为平原，属太行山东麓山前平原的一部分，有滹沱河、槐沙河两个洪积、冲击扇及扇间洼地组成。
地形从西北缓缓向东南倾斜。
地面高程为45～66m之间。
总体来说，地势平坦、开阔，土壤肥沃，适于农耕。
从局部看，县东部地面略高，由东西两面向中部古运河一带缓缓倾斜，其间由于历史上多次洪水泛滥，水流冲刷等作用，古运河、岗地、洼地相间分布，还有一些人工坑塘，致使地面呈微波状起伏。
地貌坡度1/500～1/1000之间（图1-2-1）。
全区可划分为三个地貌单元：滹沱河洪、冲积扇（北源），槐沙河洪、冲积扇（西部边缘）及两扇间洼地。
（1）滹沱河洪、冲击扇（北源）主要分布在本县北部，东部及东南部，在吴家屯——城关——南高一线以东。
面积265km2，约占全县总面积的三分之二。
上覆的松散盖层有次生黄土及滹沱河冲击物组成，交错层理明显。
冲击扇上古河道分布较多，主要有都王河、冶河（古运粮河）、汪洋道沟与获鹿道沟等。
古河道均呈南北——东西向展布，且多行程1~2m的长条形槽状洼地。
唯汪洋道沟由于淤积作用，在柳林屯乡成为高地，其形成高出一般地面1~2m，为一带状突起。
（2）槐沙河洪、冲击扇（西部边缘）分布于县西南部，在窦妪——小枚一线以西。
该冲击扇由槐沙河及其支流的冲、洪积物及次生黄土组成。
环境影响评价技术导则 地下水环境
环境影响评价技术导则地下水环境1 适用范围本标准规定了地下水环境影响评价的一般性原则、内容、工作程序、方法和要求。
本标准适用于以地下水作为供水水源及对地下水环境可能产生影响的建设项目的环境影响评价。
规划环境影响评价中的地下水环境影响评价可参照执行。
2 规范性引用文件本标准内容引用了下列文件中的条款。
凡是不注日期的引用文件，其有效版本适用于本标准。
GB 14848 地下水质量标准GB 50027 供水水文地质勘察规范HJ/T 2.1 环境影响评价技术导则总纲HJ/T 19 环境影响评价技术导则非污染生态影响HJ/T 164 地下水环境监测技术规范HJ/T 338 饮用水水源保护区划分技术规范3 术语和定义下列术语和定义适用于本标准。
3.1 地下水groundwater/subsurface water以各种形式埋藏在地壳空隙中的水，包括包气带和饱水带中的水。
3.2 包气带/非饱和带vadose zone/unsaturated zone地表与潜水面之间的地带。
3.3 饱水带saturated zone地下水面以下，土层或岩层的空隙全部被水充满的地带。
含水层都位于饱水带中。
3.4 潜水unconfined water / diving water地表以下，第一个稳定隔水层以上具有自由水面的地下水。
3.5 承压水confined water/artesian water充满于上下两个隔水层之间的地下水，其承受压力大于大气压力。
3.6 地下水补给区groundwater recharge zone含水层（含水系统）从外界获得水量的区域。
对于潜水含水层，补给区与含水层的分布区一致；对于承压含水层，裂隙水、岩溶水的基岩裸露区，山前冲洪积扇的单层砂卵砾石层的分布区都属于补给区。
3.7 地下水排泄区groundwater discharge zone含水层（含水系统）中地下水在自然条件或人为因素影响下失去水量的区域，如天然湿地分布区、地下水集中开采区、接受地下水补给的河流分布区等。
含水层与含水系统的关系与区别
含水层与含水系统的关系与区别含水层与含水系统的关系与区别人们经常把两者混淆，实际上它们是不同的。
含水层，是指在地下水面以下岩石空隙中富水性较好的地段。
它是通过在该层内地下水补给源和排泄区之间的“滞水带”来维持其相对的平衡状态，并且，由于这种平衡状态的变化而引起地下水水位及其变化。
一般地说，含水层大致可分为孔隙含水层、裂隙含水层、基岩裂隙含水层和岩溶含水层等。
其中岩溶含水层又可分为潜水型岩溶含水层、承压水型岩溶含水层和喀斯特型岩溶含水层等三种类型。
含水系统，指由若干个含水层组成的完整水文地质体。
如果一个含水系统只有一个含水层或者数个含水层时，则称为单含水系统;当含水系统包含两个以上含水层时，就称为多含水系统。
下面是含水层与含水系统的主要区别： 1、含水层与含水系统最重要的区别是含水层是否具有足够的厚度，其次是含水层埋藏深度和含水层的岩性特征。
由于含水层厚度是决定含水层发育规模和富水性强弱的主要因素，所以含水层厚度可作为确定含水层级别和确定含水系统地位的依据，而其他条件如埋藏深度、岩性等是确定含水系统地位的主要因素。
2、含水层与含水系统最重要的区别在于：地下水的运动和变化受到一定的限制，其含水系统的形成和变化往往还受到含水层之外的许多因素的影响；此外，含水系统还存在着富水性和分布方面的差异性。
含水系统的类型比含水层多得多，既有单一含水层形成的含水系统，也有多个含水层形成的含水系统。
3、有些含水系统的下伏含水层也可能会成为含水层，但这样的情况很少见。
另外，有些地区的含水系统具有叠置现象，即多层含水层出现在同一含水系统之内。
叠置含水层的出现，往往是由于含水系统遭受人工开采后或地表水体进入含水系统造成的。
当多个含水系统出现在同一含水层之内时，则会使含水层原有的连续性遭到破坏，从而导致水量减少或径流改道。
由此可见，单含水系统和多含水系统都是地下水循环和运动的重要组成部分，两者之间既有联系，又有区别，不能互相取代。
地下水数值模型设计步骤及对资料的要求
建立数值模型
网格剖分：根据确定的数值方法和软件，对研究区进行剖分。 对于平面二维流问题，一般将研究区剖分成矩形或三角形网格； 对于剖面二维流问题，一般也是将剖面区域剖分成矩形或三角形； 对于三维流问题，一般先在垂向上分成若干层，而在每层剖分成矩 形或三角形。
边界条件： 初始条件： 含水层参数：渗透系数、储水系数、给水度、孔隙度 源汇项：降雨入渗、河流补给、蒸发排泄、地表水体、沟渠渗漏、
上述数学模型是一个偏微分方程定解问题，通常只能用数值方法 求解，常用的数值方法有：有限差分法和有限单元法。
目前有一些软件可以直接用于求解地下水流动问题，如果不是自 己编写程序，可以选择合适的软件，建立数值模型。
如果用软件，则需对软件功能作简要介绍，论述软件的适用性。
3
第七章 数值模型一般步骤及对 勘查资料的要求
模型设计者应出具有较高理论水平和丰富经验的水文地质工作者担 任。设计者应精细地分析有关资料, 以获得较符合实际条件的分区 图。
18
三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）抽水试验设计 （二）抽水试验数值模拟设计 （一）含水层剖分注意事项
（一）抽水试验设计
19
三、数值模型设计中一些特殊问题
（一）含水层剖分注意事项
12
二、数值模型设计及对资料和水文地质勘探的要求
（四）边界条件的确定
边界条件是与计算区的范围同时确定的
考虑计算区的范围时, 必须同时确定边界条件的性质； 反之, 边界的位置一旦确定, 计算区的范围自然也就确定下来了。
合水层的边界分为自然边界与人为边界两类
当研究的合水层系统(包括弱透水的含水层)与非含水层相接触时,其界 面(线)称为自然边界；
4含水层系统识别
5
三、反演问题的适定性
1、解的存在性
2、解的唯一性 3、解的稳定性 同时满足上述三个条件，就称这个数学模型满足适定性要 求，或者说是适定的。 如果三条中有一条不满足就称为不适定的。 有些模型可能会出现解的不唯一性或不稳定性。书中例。 由于反演问题解的不唯一性和不稳定性，会造成不同的水 文地质参数都可能得出满足判别准则要求的结果，但所得参 数不合理。 为了保证参数的合理性，我们一般根据对条件的判断和经 验，给出参数变化的区间，调参时在这个区间进行。
（3）参数性质的概化（均质与非均质、各向同性
与各向异性）； （4）地下水流状态的概化。（二维流，三维流）。
二、判别准则问题 设，所用到的拟合点有i个（长期观测孔），时段 有j个。H为实测值，h为计算值。 1、最大绝对偏差准则 max max H i j hi j 1
i j
四、广义的含水层系统识别 包括以下四个方面：
（1）水文地质参数，T，K，μ，μ*，B
（2）源、汇项：降雨入渗系数，蒸发量，渠系灌 溉回归系数，井灌溉回归系数，以及对应的各量。 （3）定解条件：二类边界的单宽流量。
（4）上述三种情况的不同组合。
数值法解地下水流问题的主要步骤：
如图模型，地下水渗流区域为一承压含水层，p 点有一口抽水井，抽水量为Qp=Q(xp,yp)，m点为一 观测孔。从t0时刻开始抽水，在m点测得H—t曲线。
对于不同的人，可能会给出不同的模型：
2H 2H H T T Q x x , y y S yy p p p xx 2 2 x y t x, y H x, y t 0 f x, y x, y AB , t 0 H x, y, t AB hx, y, t H g x, y , t x, y BCDA , t 0 n BCDA x, y , t 0
含水层与含水系统的关系与区别
含水层与含水系统的关系与区别地下水的形成与赋存具有两种方式：①与岩石发生作用，即通过机械溶解、化学溶解和交代等方式将分散在岩石空隙中的地下水矿化为能被人们利用的可饮用淡水；②在原生孔隙状态下，借助地质作用或其他外营力作用使原来分散在地下的水体集中到一定范围内的含水层中。
两者在相同的条件下进行的。
根据研究的目的不同，可以把研究地下水的目的分为三个级别，从低到高依次是描述性研究、理论研究和应用研究。
这里，主要介绍描述性研究中常见的两种观点及其区别。
①含水系统：是指覆盖着大范围第四纪松散沉积物的含水层，主要包括浅层地下水、含水层、承压水。
对地下水起控制作用的因素是大气降水，故地下水又称为非生物水。
它既包括直接埋藏于土壤中的水体，也包括赋存于岩石空隙中的水体。
通常情况下，大气降水会通过地面裂缝、塌陷等方式渗入地下，从而改变浅层地下水的分布，使之富集成为一定的承压水位和承压水头。
②含水层中由于接受来自大气降水、地表水和侧向补给而使地下水变化较小，一般水量变化比较缓慢。
水文地质勘探时应选择含水层来研究。
对于浅层地下水，在工程建设中要防止其污染，防止遭受地表水的影响，所以浅层地下水对工程的影响很大，而深层地下水则基本上无影响。
如果浅层地下水遭到污染，会使地下水遭受污染；如果深层地下水遭到污染，则会破坏土壤结构，导致土壤板结。
故需特别注意浅层地下水和深层地下水的问题。
当然，如果两个含水层是分隔的，则只能按照含水系统进行研究。
地下水水位变化快，流量变化急，具有承压水位变幅大的特点，它对生活和生产的影响比较大，是对工程影响最严重的地下水。
同时，又由于地下水位是变化的，所以地下水往往是处于动态平衡之中，即使某些年份出现短暂的枯水期，枯水期之后就是丰水期。
有了含水层，在以后的各种地下水循环中，该层岩石就可能成为良好的通道，含水层中的地下水在大气降水、地表水、地下水之间流动，地下水的动态也就成为必然。
可以说，地下水的赋存和循环与岩石有着密切的关系，而岩石正是地下水的载体。
新疆准噶尔盆地地下水含水层系统边界及划分
１ ． ３ ． １ 二 级 地 下 水 系 统 边 界
工 作 区 内地 下 水 系统 与工作 区外地 下水 系统 之 间部分 地 段（ 西 部 地段 、 乌鲁 木齐 南 东及其 他 局部 地段 ） 以地 表分 水 岭
为界， 分 水岭 两 侧 ， 没 有地 下 水水 量 与 能 量 的 交 换 ， 因此 ， 其
部 分地 段 、 二 级 地下 水 系统之 间 和 三级 地 下 水 系 统 之 间 山 区 地 段 的边界 类 型 ， 该 类边 界类 型 为二 类边 界 （ 零 流量 边界 ） 。
１ ． １ ． １ 一 级 地 下 水 系 统 边 界
为二 级地 下水 系统 之 间 、 三 级 地 下 水 系统 之 间 和 四级 地 下 水 系统 之间 的 内部 边 界 ， 其 表现 形 式 为上 游 地 下 水 系统 的 地 下水 通 过此 边界侧 向径 流 补给 下 游 地 下水 系 统 ， 对上 游 地 下 水 系统 而言 为输 出边 界 ， 而对 下 游 地 下水 系 统 而 言则 为 输
量边 界 ） 。该类 边 界 为 人 为边 界 ， 形 成 该 类 边 界 的 原 因 没 有
１ 含 水 层 系 统 边 界
根据 准 噶尔 盆 地 含 水 层 结 构 、 水文地 质参数变化特征 、 地 下水 水 位动 态特 征 、 地 下 水补 径 排 特 征 以及 地 下 水 同位 素
边 界为 地表 水分 水 岭边 界 。
１ ． １ ． ２ 二 级 地 下 水 系 统 边 界
额 尔齐 斯河 水 系与 乌 伦古 湖水 系 之 间 、 额 尔齐 斯 河 水 系
在 奎 屯北 部 的奎 屯河 下 游 ， 受 车排 子 构 造 隆 起 的 影 响 ， 地 下水 水 流 由近南北 向转 变 为北 西 向 和南 东 向 ， 奎 屯河 流 域 地 下水 一部 分 向艾 比湖 汇 流 ， 一 部 分 则 向玛 纳 斯 湖 汇 流 ， 因
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（4）地下水流状态的概化。（二维流，三维 流）。
二、判别准则问题
设，所用到的拟合点有i个（长期观测孔），时段有j个。H 为实测值，h为计算值。
1、最大绝对偏差准则
max i
max j
Hi
j
hi
j
1
2、最大偏差的绝对值总和准则1
i
max j
如图模型，地下水渗流区域为一承压含水层，p 点有一口抽水井，抽水量为Qp=Q(xp,yp)，m点为一 观测孔。从t0时刻开始抽水，在m点测得H—t曲线。
对于不同的人，可能会给出不同的模型：
Txx
2H x 2
Tyy
2H y 2
Qp
x xp, y yp
S H t
H x, yt0 f x, y x, y
第四章 含水层系统识别
地下水系统模拟，解决两大问题：预报问题与参 数计算问题。
预报问题——正演问题 参数计算问题——反演问题或模型校正
第一节 含水层系统识别中的一些基本问题 一、模型参数的概念
由于实际水文地质模型的复杂性，勘探工作的局 限性，难以查清水文地质条件，每人对水文地质条 件的认识有差别，选取的研究区边界也有差别。如：
H
i
j
hi
j
2
3、最大偏差的绝对值总和准则2
j
max i
Hi
j
hi
j
3
4、全部偏差绝对值之和准则
Hi j hi j 4
ij
5、全部偏差平方和准则 第四、五个判别准则较好。 难度：ε1-5的给定没有标准。
Hi j hi j2 5
ij
三、反演问题的适定性
1、解的存在性 2、解的唯一性 3、解的稳定性 同时满足上述三个条件，就称这个数学模型满足适定性要 求，或者说是适定的。 如果三条中有一条不满足就称为不适定的。 有些模型可能会出现解的不唯一性或不稳定性。书中例。 由于反演问题解的不唯一性和不稳定性，会造成不同的水 文地质参数都可能得出满足判别准则要求的结果，但所得参 数不合理。 为了保证参数的合理性，我们一般根据对条件的判断和经 验，给出参数变化的区间，调参时在这个区间进行。
H
gx, y
x, y CFA
n CFA
x, y '' , t 0
三个模型进行校正，力求预测结果与H—t曲线重 合。三个模型最终可获得三组参数。这三组参数都 不是含水层本身所固有的参数。按数学模型求得的 参数叫“模型参数”。
模型参数包含以下方面误差：
（1）地下水流系统区域几何形状的概化；
（2）边界性质的概化与初始流场的模拟；
H
x,
y,t
AB
hx,
y,t
x, y AB , t 0
H
gx, y,t x, y BCDA , t 0
n BCDA
x, y , t 0
x
T
H x
y
T
H y
Qp
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S H t
H H
x, x,
y t
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T
2H x 2T2H Nhomakorabeay 2Qp
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x, x,
y t 0
y,t ABC
f x, y hx, y
x, y '' x, y ABC
四、广义的含水层系统识别 包括以下四个方面： （1）水文地质参数，T，K，μ，μ*，B （2）源、汇项：降雨入渗系数，蒸发量，渠系灌
溉回归系数，井灌溉回归系数，以及对应的各量。 （3）定解条件：二类边界的单宽流量。 （4）上述三种情况的不同组合。